CN110971559A - 一种基于动态控制因子降低ofdm-pon信号峰均功率比的调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态控制因子降低OFDM‑PON信号峰均功率比的调制解调方法，通过结合信号的概率成形方法与添加相位因子，提出一种改进的低峰均功率比OFDM‑PON系统。概率成形方法，就是降低高幅度值信号出现的概率，增加低幅度值出现的概率，可以达到降低PAPR的目的。并添加相位因子对OFDM信号中的子载波进行相位调节，这样可以进一步降低高峰值出现的几率，使得在动态调整速率的同时，有效地较低峰均功率比，将这种方法应用在OFDM‑PON系统中，结合两者优势，可以大幅度降低峰均功率比，获得较高的频谱效率和传输性能。

Description

一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制 解调方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法。

背景技术

随着移动互联网、云计算、物联网、大数据等技术的发展，以及各种智能终端的不断涌现，人们对通信带宽的需求与日俱增。接入网作为信息高速公路的最后一公里，近年来得到了越来越多的关注。传统的光接入网灵活性较差，速率较低，已经无法满足未来网络业务的发展。因此，需要进一步优化网络结构，提升网络性能，提升光接入网的传输速率。

正交频分复用(OFDM)技术，因其频谱利用率高、抗多径衰落等优点，在无线通信领域广泛应用。直到21世纪，OFDM技术才在光纤通信系统中投入使用。光OFDM技术作为一种新型调制技术可用于传输，具有更高的频谱利用率，同时可以支持动态调整子载波数改变信号带宽，有利于实现紧凑、灵活的频谱配置，加之光OFDM技术在物理层的优势，基于OFDM的无源光网络(PON)成为40Gb/s无源光网络的技术热门。而过高的峰均功率比(Peak toAverage Power Ratio，PAPR)限制了正交频分复用技术的实际应用，系统带有过高的峰值功率极易产生非线性失真，在传输过程中造成频谱混乱，产生子载波间的干扰，直接致使系统的误码性能严重下降。不仅如此，过高的峰均比会给模数/数模转换器带来较大负载，使转换器的转换效率迟缓下降，误转换率上升，而使用更高精度的模数/数模转换器会令OFDM系统硬件成本显著上升。目前主流的抑制PAPR算法有编码类、概率类和信号畸变类。其中，概率类算法可以减小高幅值信号发生的概率，而不是将信号PAPR都优化至设定门限以下，属于线性变化，不会导致信号发生非线性的畸变，缺点是加入边带信息，增加了系统的计算复杂度。1996年， R.W.Bauml首次提出选择映射算法(SLM)，该算法对载波数量没有特殊要求，可以适用于多载波OFDM系统，降低系统的PAPR。

为了最大程度的提高单信道载波的传输承载能力，进一步提高通信系统的信道容量和交换容量，概率成形方法具有接近香农极限的理论原型，动态可适应性的逻辑结构，弹性灵活的多级联合模式等优点，成为近些年来国际上的热点话题并取得了长足的进步。2013年，Yang F等人提出BICM系统的概率成形APSK星座标签设计方法。同年，He D等人提出APSK星座格雷映射的改进方案，使格雷映射的AP-SK星座可以根据不同的信噪比级别进行调整，以增加其平均互信息。2015年，Méric H等人给出了一个带有等概率信号的幅度和相移键控(APSK) 星座的构造方式。随着研究的继续深入，概率成形逐渐在各种通信系统中运用，例如WDM系统中的16-QAM概率成形，256QAM/1024QAM的概率成形，ATSC 3.0广播信道的概率成形，非线性光纤信道QAM概率成形。然而，目前的概率成形主要是针对常规的星座图做映射，例如8PSK，16QAM，32QAM星座图等。常规的方形或星形星座图空间利用率低，相同欧式距离下空间间隙过大，使信号收敛于判决区域时存在较多的空间空隙，限制系统性能，增加传输功率冗余，降低传输速率和信道容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其中：包括以下步骤：

步骤一：数据下行时，光线路终端，二进制比特数据流通过恒参概率分布匹配器转换成非均匀分布的符号，成形后的符号用二进制标签进行表示，生成二进制序列，所述恒参概率分布匹配器设置有动态可调的速率参数μ，所述速率参数μ根据信道的信噪比来调节大小，使得传输容量最大化；

步骤二：对二进制序列进行FEC编码，编码后的数据通过调制器映射到QAM的复数星座点符号序列上；

步骤三：将得到的符号根据光网络单元所分配的子载波数进行串并转换；

步骤四：在频域上对子载波上做随机相位修改，然后子载波的数据符号与M个统计独立的随机相位序列相乘，对每组序列经过IFFT运算得到的时域信号中选择PAPR最小的序列；

步骤五：对该序列进行并串转换、加循环前缀后，经数模转换器转换成模拟电信号，再通过光调制器调制到光载波上，然后进行信道传输到用户端；

步骤六：用户端，光接收器接收到的光信号通过光耦合器分为两路，其中一路经第一光电探测器转换为电信号，经过模数转换后的信号经过快速傅里叶变换得到每条子载波信息，根据相位信息还原相位，然后将各路子载波并串到一路后通过分布解匹配器进行还原，恢复得到原来的信息；另一路将下个轮询周期需上传的数据总量以及μ值和M值信息进行OFDM调制，将信息调制到控制信道上，然后通过信道传输到光线路终端上行接收机；

步骤七：上行接收机接收到信号通过第二光电探测器转换为电信号，然后OFDM解调出控制信息以及μ值和M值，根据μ值信息设置恒参概率分布匹配器合适的μ值使下一轮信道信息传输容量最大化，以及M值来降低系统峰均功率比的目的。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的恒参概率分布匹配器为具有CCDM算法的分布匹配器。

上述的步骤一中由均匀分布的二进制比特数据流转换成非均匀分布的符号，同时实现了能量低的符号比能量高的符号出现的概率增加，使其近似满足于高斯分布。

上述的经过串并转换后的数据块都被都被乘以一个长度为N的M个不同的相位因子序列，得到M个带有相同信息统计独立的备选序列，在备选序列组中选取PAPR最小的一个进行传输； M个独立长度为N的随机相位序列：

p^m与数据块相乘后可以得到第m路修改后的序列为：

经过IFFT变换后的OFDM信号变为：

其中

表示相位因子，

表示在[0，2π)上均匀取值的相位旋转引子，

取值范围为{-1，1}；

然后比较得出最小峰均功率比的序列选择输出为信号x，同时将对应的相位因子序列信息作为边带信息一起传输。

上述的M个统计独立的随机相位序列可随用户端不同用户收到信号情况及时动态调整，从而降低高峰均功率比出现的概率。

上述的步骤五中光调制器将模拟电信号调制到光载波上后，通过第一掺铒光纤放大器进行功率调整；所述步骤六中经过光耦合器的上行信号在IQ调制器之前经过第二掺铒光纤放大器进行功率调整。

上述的光信号在信道传输的下行和上行过程中分别通过第一滤波器和第二滤波器进行滤波。

本发明的有益效果：

本发明提出一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，通过添加控制因子U，使得OFDM-PON系统具备更高的灵活性，更低的峰均功率比和误码性能；添加控制因子包括添加μ和M两个参数，添加μ是为了调整数据信号发送概率，降低信号高能量点的概率的同时增加信号低能量点的概率，使得信号分布满足高斯分布而逼近香农极限；对于调整了μ之后，由于调整了发射功率使得平均发射功率降低，而使得PAPR增高的情况，再添加M以抑制峰均功率比。所提出的方案具有较低的计算复杂度和出色的误码性能，实现了有效的峰均功率比降低性能。更重要的是，该系统在获取不同的和动态的接入比特率方面是灵活的和可调整的，这为下一代无源光网络提供了一种前瞻性的解决方案。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是实验装置图；

图3是下行传输误码率与信噪比的仿真图；

图4是下行传输系统峰均功率比的CCDF曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明为一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，主要分成三个部分：光线路终端，位于中心服务区，负责光网络单元和网络局端之间的数据交互；光配线网络，是连接光线路终端和光网络单元的中间桥梁；光网络单元，也就是用户端，可以是一个卫星局域网；OFDM-PON的基本传输分为两个方向：下行方向和上行方向。

在下行链路中，光线路终端，二进制比特数据流通过恒参概率分布匹配器转换成非均匀分布的符号，成形后的符号用二进制标签进行表示，生成二进制序列，所述恒参概率分布匹配器设置有动态可调的速率参数μ，所述速率参数μ根据信道的信噪比来调节大小，使得传输容量最大化；对二进制序列进行FEC编码，编码后的数据通过调制器映射到QAM的复数星座点符号序列上；将得到的符号根据光网络单元所分配的子载波数进行串并转换；在频域上对子载波上做随机相位修改，然后子载波的数据符号与M个统计独立的随机相位序列相乘，对每组序列经过IFFT运算得到的时域信号中选择峰均功率比最小的序列；对该序列进行并串转换、加循环前缀后，经数模转换器转换成模拟电信号，再通过光调制器调制到光载波上，然后进行信道传输到用户端；光接收器接收到的光信号通过光耦合器分为两路，其中一路经第一光电探测器转换为电信号，经过模数转换后的信号经过快速傅里叶变换得到每条子载波信息，根据相位信息还原相位，然后将各路子载波并串到一路后通过分布解匹配器进行还原，恢复得到原来的信息。

在上行链路中，光接收器接收到的光信号通过光耦合器分为两路，另一路通过掺铒光纤放大器放大作为上行发射的信号源，将下个轮询周期需上传的数据总量以包含μ值和M值的信息依次进行编码映射，快速傅里叶逆变换，加循环前缀以及数模转换，最后利用光调制器进行OFDM调制，然后通过信道传输到光线路终端上行接收机；上行接收机接收到信号通过第二光电探测器转换为电信号，然后依次通过数模转换，去循环前缀，快速傅里叶变换，解映射和解码，得到用户请求信息及U值，根据U中的μ值信息设置恒参概率分布匹配器合适的μ值使下一轮信道信息传输容量最大化，以及U中的M值来达到降低系统PAPR的目的。

本发明专利的主要内容是，在OFDM-PON系统中添加一个控制因子U，控制因子U可以描述为控制概率成形概率分布程度的μ与载波随机相位序列组数M组成的矩阵，即 U＝[μ，M]，μ与M相互独立。添加μ与M的具体步骤如下所述：

(1)概率成形分布匹配器

传输系统属于功率受限的加性高斯白信道，通过对原数据重新进行编码与映射，增大星座图内圈星座点发送概率，减小外圈星座点发送概率，从而使输入分布趋向于高斯分布，可以增大系统的信道容量，使其接近或等于系统最大信道容量。

以方形PS-16QAM为例，在传统的数据传输方案中，星座图中的16个星座点是等概率传输的。采用集合χ＝{x₁，x₂，，x_M}来表示PS-M-QAM的星座符号表，当输入信号点x_i服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布时的容量是近似于最大化的，则输入信号点x_i的麦克斯韦-玻尔兹曼分布概率质量函数可以表示为：

其中：e是自然对数，x_i表示16个星座中某个信号的星座点，μ表示速率参数，在0到1之间取值，代表概率成形的程度。

对于加性高斯白信道中不同的信噪比，都存在一个相对应的最佳概率分布μ，能够让系统得到最好的优化，使传输容量最大化；一般来说，信噪比越差，概率成形的程度越大，即概率大的信号与概率小的信号概率相差悬殊；使用恒参概率分布匹配器对数据概率分布的改变，将独立的1/2概率伯努利分布输入比特流序列转换成所需分布的符号序列，通过对不同光网络单元端用户所需数据进行加μ，来实现所有用户的通信容量的提升，同时会带来误码率的降低。

例如光网络单元信道的信噪比所对应的最佳速率参数μ＝0.1，这个信息光网络单元用户是已知的，它通过上行请求下一轮数据的过程中附加上μ值信息，在下一轮发送信息时可以使该用户传输容量最大化，实现的手段就是光线路终端解调光网络单元上传信息后，将CCDM 设置成可以将数据改编成μ＝0.1的概率分布即可，由信息论可得公式：

V＝B_buad×H(x)

其中，V表示传输速率，B_buad表示波特率，H(x)表示信息熵，加的结果就是使得互信息最大，此时的信息熵可以表示为：

根据计算，μ＝0.1时，H(x)＝3.7864bits/symbol，相比μ＝0时，H(x)＝4bits/symbol，如果该系统设定的传输速率为10Gbit/s，则μ＝0的波特率为2.5Gbuad，而μ＝0.1时的波特率 10/3.7864＝2.64Gbuad，得到了提升。

(2)添加相位因子

在添加μ后，使得高能量点信号的发生概率降低了，整体的平均发射功率因此随之降低，峰均功率比为信号的峰值功率与平均功率的比值，会因为平均功率的降低而升高，峰均功率比对OFDM系统的影响主要体现在发射端和接收端的功率放大器上，高峰均功率比会使信号在传输过程中超出功率放大器的线性区，造成信号失真，进而导致系统传输性能的恶化，所以使用加M组独立相位序列的办法，解决高峰均功率比的问题。

由于OFDM系统高峰值出现的概率极低，通常用概率统计的方式来描述OFDM系统的峰均比特性，因为OFDM各子载波之间相互正交并且独立分布，根据统计学中心极限定理，在子载波数量N很大时，叠加后的OFDM信号x(t)将近似为高斯随机过程，其实部和虚部可以用均值为0，方差为0.5的高斯分布进行描述。即OFDM信号的幅值服从瑞利分布，x(t)的功率分布为均值为0的χ²(2)分布，将峰均功率比小于特定门限值z的概率分布，即累积分布函数为：

P(PAPR≤z)＝(1-e^-z)^N

与累积分布函数相对应的互补累积分布函数可以表示为：

P(PAPR＞z)＝1-P(PAPR≤z)＝1-(1-e^-z)^N

由上两式可知，子载波数量N越大，峰均功率比的值越大，OFDM高峰值出现的原因是在OFDM子载波进行叠加时，如果子载波相位碰巧一致，会造成峰值功率突然升高；因此，通过添加M组独立相位序列可以对子载波的相位进行处理，可以减小这种情况的发生，也就减小了峰均功率比。

添加M的具体过程如下：

1.将加μ和映射后的数据进行串并转换为N路数据，这N路数据就是需要进行OFDM调制到N条子载波上的数据。

2.将这N路数据块乘以一个长度为N的M个不同的独立相位序列，得到M个带有相同信息统计独立的备选序列，M个独立相位序列可以表示：

其中，

为相位序列，

为在[0，2π)上均匀取值的相位旋转引子，相位因子

取值范围为{-1，1}的集合中，也就意味着每个序列都可以表示为长度为N，元素为{-1，1} 随机分布的随机序列。

3.对得到的M组相乘序列分别进行快速傅里叶逆变换，得到M组备选序列，从备选序列中挑出峰均功率比最小的一组进行输出，在选出最小一组输出的同时，与其相乘的相位信息需要一同发送以便接收端还原。

根据峰均功率比的CCDF定义可以得到，对于峰均功率比门限值为Z时，经过加M处理后系统峰均功率比的CCDF为：

P_M(z)＝(1-(1-exp(-z))^N)^M

其中N为子载波数，M为随机相位序列组数；可以看出，随着M的增大，峰均功率比的抑制能力越强，但是增强的幅度会越来越小，并且进行多次的IFFT计算使得复杂度较高，在实际应用中，峰均功率比门限值大都取决于接收端/发送端功率放大器的参数，例如使用某系统使用的放大器使得系统PAPR门限值为8dB，通过计算，M＝8时即可使CCDF曲线低于门限值，无需对M进行多取值处理，增加发送端的计算复杂度；该信息同样是在架设系统后用户已知信息，将M需求与μ一同向光线路终端端请求即可。

因此，根据光线路终端接收到不同用户请求，通过动态调整合适的M，可以降低高峰均功率比出现的概率，同时并不会产生带内、带外噪声，不会降低系统的误码性能，提高系统性能。

系统实验验证

图2表示为本专利系统实验装置图，假设有3个光网络单元：光网络单元1，光网络单元 2，光网络单元3；光网络单元1不做加U的处理，光网络单元2加μ值为0.1，光网络单元3加μ值为0.3，因为μ与M相互独立的过程，可以分开单独讨论验证，假设该系统数字信号处理部分的主要参数为：256个有效信息子载波，每个子载波携带20个符号，1024个FFT/IFFT 点数，循环前缀比例为1/4，调制格式16QAM，传输速率10Gbit/s；通过对下行链路进行仿真实验，可得图4的误码率与信噪比关系图，从图中可以看出，加μ后的误码性能得到了优化，相同信噪比下的误码率更低，图中的虚线为HD-FEC线，认为低于此阈值的系统是没有误码的；对光网络单元1，光网络单元2，光网络单元3，从图中可以看出，在信道的信噪比达到 10dB时，只有光网络单元3是没有误码的；因此，在实际应用中，可以根据信道的信噪比情况来选择μ值，既可以提升通信容量，同时还可以降低误码率。

假设对光网络单元1进行加M，在相同系统中，图4展示了不同M值情况下的CCDF图；其中M＝0即为不加M处理的原信号，从图中可以看出，在CCDF＝10-1处，M＝2，8，16时，PAPR系统的阈值分别下降了约0.9dB，2.1dB，2.3dB。说明M取值越大，对峰均功率比抑制效果越好，但增幅越来越小；如果该系统的峰均功率比门限值为8dB，系统要求它的CCDF要小于10-1，则从图中可以看出M选取8即可，在实际应用中，M不需要选的越多越好，M的增加会导致系统计算复杂度的增加，只需要选取满足系统条件的最小M值即可。因此，在不增加系统计算复杂度的情况下，通过在不同的峰均功率比门限要求系统中加入M，可以抑制OFDM PON系统的峰均功率比。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：光线路终端，二进制比特数据流通过恒参概率分布匹配器转换成非均匀分布的符号，成形后的符号用二进制标签进行表示，生成二进制序列，所述恒参概率分布匹配器设置有动态可调的速率参数μ，所述速率参数μ根据信道的信噪比来调节大小，使得传输容量最大化；

步骤二：对二进制序列进行FEC编码，编码后的数据通过调制器映射到QAM的复数星座点符号序列上；

步骤三：将得到的符号根据光网络单元所分配的子载波数进行串并转换；

步骤四：在频域上对子载波上做随机相位修改，然后子载波的数据符号与M组统计独立的随机相位序列相乘，对每组序列经过IFFT运算得到的时域信号中选择峰均功率比最小的序列；

步骤五：对该序列进行并串转换、加循环前缀后，经数模转换器转换成模拟电信号，再通过光调制器调制到光载波上，然后进行信道传输到用户端；

步骤六：用户端，光接收器接收到的光信号通过光耦合器分为两路，其中一路经第一光电探测器转换为电信号，经过模数转换后的信号经过IFFT运算得到每条子载波信息，根据相位信息还原相位，然后将各路子载波并串到一路后通过分布解匹配器进行还原，恢复得到原来的信息；另一路将下个轮询周期需上传的数据总量以及μ值信息进行载波调制，然后通过信道传输到光线路终端上行接收机；

步骤七：上行接收机接收到信号通过第二光电探测器转换为电信号，然后OFDM解调出控制信息以及μ值和M值，根据μ值信息设置恒参概率分布匹配器合适的μ值使下一轮信道信息传输容量最大化，以及M值来降低系统峰均功率比的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：所述恒参概率分布匹配器为具有CCDM算法的分布匹配器。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：所述步骤一中由均匀分布的二进制比特数据流转换成非均匀分布的符号，同时实现了能量低的符号比能量高的符号出现的概率增加，使其近似满足于高斯分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：所述步骤四具体为：经过串并转换后的数据块都被都被乘以一个长度为N的M个不同的相位因子序列，得到M个带有相同信息统计独立的备选序列，在备选序列组中选取PAPR最小的一个进行传输；

M个独立长度为N的随机相位序列：

p^m与数据块相乘后可以得到第m路修改后的序列为：

经过IFFT变换后的OFDM信号变为：

其中

表示相位因子，

表示在[0，2π)上均匀取值的相位旋转引子，

取值范围为{-1,1}；

然后比较得出最小峰均功率比的序列选择输出为信号x，同时将对应的相位因子序列信息作为边带信息一起传输。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：所述M个统计独立的随机相位序列可随用户端不同用户收到信号情况及时动态调整，从而降低高峰均功率比出现的概率。

6.根据权利要求1所述的一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：所述步骤五中光调制器将模拟电信号调制到光载波上后，通过第一掺铒光纤放大器进行功率调整；所述步骤六中经过光耦合器的上行信号在IQ调制器之前经过第二掺铒光纤放大器进行功率调整。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态控制因子降低OFDM-PON信号峰均功率比的调制解调方法，其特征在于：光信号在信道传输的下行和上行过程中分别通过第一滤波器和第二滤波器进行滤波。

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